CN103840529B - 基于arm控制的太阳能充放电控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ARM控制的太阳能充放电控制系统及控制方法，利用太阳能为储能设备充电，通过合理的充电电路拓扑结构以及相应的控制策略使储能设备在最短的时间里储存最大的能量。从充电控制方法和充电电路结构的角度出发，通过合理的拓扑变换和控制方法，解决了一些在太阳能充电过程存在的问题，实现了高效充电和存储，并可获得比太阳能电池电压高数倍的储能设备端电压，可以为多种不同需求的用电设备提供相应的电源。

Description

基于ARM控制的太阳能充放电控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能的高效利用和开关电源领域，具体来说就是一种利用新颖的拓扑结构和智能控制方法使太阳能电池板在最短的时间里为超级电容器充电并存储足够功率，保证了在突发情况下某些特殊装置的用电安全。

背景技术

光伏发电有无污染，无噪声，取之不尽，用之不竭的特点，是一种有广阔前景的绿色能源，在未来的供电系统中将占有重要的地位。在边远的荒漠或海洋、太空等电缆无法延伸的地域只能依靠自然能源为用电设备提供电能。而在夜晚或某些突发情况下，太阳能电池无法直接供电，因此需要将太阳能高效迅速的存储在储能设备中，待用电设备需要供电时便将电能释放给用电设备。

利用太阳能为储能设备充电的关键是根据太阳能电池板的输出功率特性，通过合理的充电电路拓扑结构以及相应的控制策略使储能设备在最短的时间里储存最大的能量。在这方面，已经进行了很多的研究和实验。已有的研究成果主要是结合太阳能电池板输出功率特性而制定的最大功率点跟踪(MPPT)的算法研究，充电电路主要采用开关变换器进行恒流充电和恒压充电相结合的方法。

在开关变换器的拓扑方面，当储能设备的最终输出电压大于太阳能电池板输出电压的情况下采用Boost升压电路充电；也有直接采用BUCK-BOOST升降压电路为储能设备充电的方法。

在充电控制方法方面，通常采用改变开关占空比来实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)的方式。但是，充电过程是个全动态过程，随着储能设备的端电压的变化，需要改变充电方式，如前面所说恒流充电和恒压充电相结合。可是在不改变电路拓扑的情况下，很难保证在充电全过程中实现最大功率点跟踪(MPPT)，从而影响了充电效率，甚至无法充到期望电压值。也有提出采用Boost变换器和Buck-Boost变换器作为充电电路，并利用最大功率点跟踪(MPPT)来实现充电的。但是在实际充电过程中，在充电初始阶段，太阳能电池板输出电压高于储能设备端电压时，Boost升压充电电路无法正常工作，使得Boost升压电路中的电感很快饱和，无法实现MPPT控制和快速充电；同样采用Buck-Boost充电电路充电时，由于在不同的充电过程中需要进行工作模式的转换，对开关占空比的特殊要求妨碍了MPPT的有效实现，使得充电控制变得十分复杂，而且没有取得良好的效果，很难充到远高于太阳能电池板输出电压的期望值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于ARM控制的太阳能充放电控制系统及控制方法，该方法不仅在太阳能电池板输出电压高于储能设备端电压时实现最大功率点跟踪(MPPT)充电，还可以在太阳能电池板输出电压低于储储能设备端电压时实现最大功率点跟踪(MPPT)充电，在短时间内小功率太阳能电池可以为大容量储能设备快速充电，获得更多的能量和较高端电压。它不仅适用于输电线路的故障检测和报警，同样可用于电缆无法触及的荒漠和遥远的海洋、太空等场合，为用电设备提供不间断电源。在很大程度上提高了对太阳能的利用，保证了一些特殊场合的用电安全。

实现上述目的的技术方案是：基于ARM控制的太阳能充放电控制系统，包括太阳能电池板和用电设备，其特征是还包括充电电路、处理器、超级电容器、稳压器和继电器，其中稳压器为输出可调的Buck变换器，充电电路采用Boost电路与开关电容电路相结合的电路结构，C1为转移电容，接在续流二极管D1与地之间,D2为防反充二极管,连接在超级电容器和开关S2之间；处理器ARM的PWM1和PWM2分别控制开关S1和S2的断开与闭合；继电器连接在太阳能电池板输出端与储能电感L之间；储能电感L接在继电器和开关S1之间；D1为续流二极管,接在储能电感L与开关S2之间；超级电容器连接在防反充二极管D2与地之间。

所述控制系统的控制方法如下：

1)分析太阳能电池板和储能设备电压关系，设计合理的充电电路拓扑结构，即采用Boost电路与开关电容电路相结合的电路结构，并根据太阳能板的输出功率，选择不同容值和耐压的中间小电容；

2)根据太阳能电池板的输出特性，在整个充电过程中通过调节驱动两个开关管的脉冲宽度实现太阳能电池板的最大功率输出(MPPT)；

3)在不同的充电阶段由处理器通过控制开关的状态实现充电电路拓扑的改变，即充电起始阶段太阳能电池板的输出电压大于超级电容器所存储电压时，采用Boost与开关电容电路相结合的拓扑，当太阳能电池板输出电压小于超级电容器所存储电压时，采用Boost变换器电路直接为超级电容器充电，以缩短整体充电时间；

4)为用户提供一个多智能输出的稳压系统；

5)对超级电容器进行实时监测，进行过压过热保护，及欠压报警。

目前已有的研究成果主要是结合太阳能电池板输出功率特性而制定的最大功率点跟踪(MPPT)的算法研究，充电电路主要采用开关变换器进行恒流充电和恒压充电相结合的方法。通过实验，这些方法不能在短时间内完成所需的充电容量或获得远高于太阳能电池电压的储能设备端电压。与已有技术相比，本发明的优点是：(1)可以选择超级电容器作为储能设备，安全可靠，方便轻捷，适用于一些应急设备的供电；(2)利用转移电容在太阳能电池板输出电压高于储能电压时，进行能量转移，解决了电路结构与控制方法间的矛盾；(3)分阶段采用不同拓扑结构为超级电容器充电，当储能设备端电压高于一定值时，通过软件控制开关状态，取消转移电容的作用，解决了转移电容和储能设备之间由于压差变小带来的能量转移困难的问题；(4)在整个充电过程中实现最大功率点跟踪(MPPT)的控制方法，大大提高了充电效率；(5)在特殊场合，可以选择更小的太阳能电池板，并获得所需的能量和较高的储能设备端电压。

附图说明

图1是本发明实施方案的整体系统原理图。

图2是本发明系统的流程图。

图3是Boost电路与开关电容电路结合的充电开关驱动波形。

图4是根据实测数据拟合出的5F超级电容电压和充电时间的曲线图。

具体实施方式

以下将结合实例对发明的内容做进一步说明。

如图1所示，基于ARM控制的太阳能充放电控制系统，包括太阳能电池板、用电设备、充电电路、处理器、超级电容器、稳压器和继电器，其中继电器为常闭型连接在太阳能电池板输出端与电感之间,当超级电容器充电超过设定值时断开,L为储能电感,接在继电器和开关S1之间,D1为续流二极管,接在电感L与开关S2之间,C1为转移电容，接在D1与地之间,D2为防反充二极管,储能设备为超级电容，连接在D2与地之间,处理器为ARM，稳压器为输出可调的Buck变换器，连接在超级电容器和用电设备之间,处理器的PWM1和PWM2分别控制开关S1和S2的断开与闭合，用电设备可以是故障检测、报警、通信等设备。

太阳能电池板选取10W18V，选取转移电容C1为耐压50V容值0.1uF的电解电容，超级电容器是耐压为40V，容量2F,所期望的充电电压值为30V，系统工作频率为50kHz。当超级电容器所存储电压小于20V时，采用Boost变换器与转移电容相结合的方式充电，开关S1与S2同步导通闭合，通过C1的能量转移为超级电容器充电；当超级电容器所存储电压大于等于20V时，处理器直接将PWM2置为高电平，使开关S2一直保持导通状态，使Boost变换器直接为超级电容器充电。当充电到30V时，处理器控制S1,S2使其保持关断状态，充电结束。当用电设备需要供电时启动稳压器，使之输出所需的电压，同时检测超级电容器的电压值和工作温度，进行欠压提示或充电请求以及过热保护。

如图2所示，实时监测太阳能板输出功率，控制开关导通的时间来实现MPPT，当充电电压低于20V时，两路开关均由输出PWM波控制，此时实际上是Boost电路与开关电容相结合的充电拓扑结构；当超级电容器充电电压高于20V时，开关S2将始终闭合，此时实际上是切换到了Boost电路的充电拓扑。如此，两种充电模式的相互转换实现了对超级电容器可靠高效的充电。

首先通过实时采样太阳能电池板的输出电压、电流以及超级电容器所存储电压值，并计算出太阳能电池板实时输出功率P₀。其次，用本次采样计算出的P₀与上一次所计算出的实时功率P₁比较，若本次输出功率P₀大于上一次采集功率P₁，则看本次太阳能输出电压V₀是否大于上一次采样电压值V₁，若V₀大于V₁则这一次的占空比减去一个步长值△，否则这一次的占空比加上一个步长值△；若P₀小于上一次采集功率P₁，若V₀大于V₁则这一次的占空比加上一个步长值△，否则这一次的占空比减去一个步长值△。然后利用新的占空比更新PWM1和PWM2。再次，判断超级电容器上的电压是否大于20V，若大于20V，则输出PWM1，同时PWM2被置为高电平让开关S2闭合，其实是切换到了BOOST充电拓扑电路；否则，PWM1和PWM2正常输出，其实是采用BOOST电路与开关电容电路相结合的充电拓扑电路。最后，判断超级电容器上电压是否超出所设定值30V，若超过，则断开继电器停止充电，否则继电器保持闭合继续采样继续充电。

如图3所示，两开关同步开通关断，实现在超级电容器电压低于20V时电能的有效转移任务。当超级电容器充电电压高于20V时，S2栅极置为高电平，直接由Boost电路充电。表1为实测充电情况数据。

表1超级电容电压Vc数值表2014年3月9日天气晴16℃

图4是根据实测数据拟合出的5F超级电容电压和充电时间的曲线图。由图4可以看出，使用该方案充电，具有效率高，充电快的效果。

Claims (1)

1.基于ARM控制的太阳能充放电控制系统，包括太阳能电池板和用电设备，其特征是还包括充电电路、处理器ARM、超级电容器、稳压器和继电器，其中稳压器为输出可调的Buck变换器，充电电路采用Boost电路与开关电容电路相结合的电路结构，转移电容(C1)接在续流二极管(D1)与地之间,防反充二极管(D2)连接在超级电容器和开关S2之间；处理器ARM的PWM1和PWM2分别控制开关S1和开关S2的断开与闭合；继电器连接在太阳能电池板输出端与储能电感(L)之间；储能电感(L)接在继电器和开关S1之间；续流二极管(D1)接在储能电感(L)与开关S2之间；超级电容器连接在防反充二极管(D2)与地之间；

其中控制系统的控制方法采用如下步骤:

1)分析太阳能电池板和超级电容器电压关系，采用Boost电路与开关电容电路相结合的电路结构，并根据太阳能电池板的输出功率，选择不同容值和耐压的转移电容(C1)；

2)根据太阳能电池板的输出特性，在整个充电过程中通过调节驱动开关S1和开关S2的脉冲宽度实现太阳能电池板的最大功率输出；

3)在充电起始阶段，当太阳能电池板的输出电压大于超级电容器所存储电压时，采用Boost与开关电容电路相结合的拓扑，当太阳能电池板输出电压小于超级电容器所存储电压时，采用Boost变换器电路直接为超级电容器充电，以缩短整体充电时间；

4)为用户提供一个多智能输出的稳压系统；

5)对超级电容器进行实时监测，进行过压过热保护，及欠压报警。